État de surface

En mécanique, l'état de surface est un élément de cotation d'une pièce indiquant la fonction, la rugosité, la géométrie et l'aspect des surfaces usinées.

Critères

Fonctions de surface

On peut distinguer seize fonctions principales que peut remplir la surface d'une pièce :

Surface de contact avec une autre pièce :

• frottement de glissement lubrifié (FG),
• frottement à sec (FS),
• frottement de roulement (FR),
• frottement fluide (FF),
• résistance au matage (RM),
• étanchéité dynamique avec ou sans joint ED),
• étanchéité statique avec ou sans joint (ES),
• ajustement fixe avec contrainte (AC),
• adhérence, collage (AD)  ;

Surface libre, indépendante :

• générée par la coupe d'un outil (OC),
• résistance aux efforts alternés (EA),
• résistance à la corrosion (RC),
• conçue pour recevoir un revêtement, peinture (RE),
• conçue pour recevoir un dépôt électrolytique (DE),
• mesure (ME),
• aspect (AS).

Défauts de surface

La norme NF E 05-515 distingue six ordres de défauts de surface, du plus grand au plus petit :

1. Écart de forme (échelle macroscopique)  : défaut de planéité, de rectitude, de circularité, … voir Cotation GPS ;
2. Ondulation (échelle macroscopique)  : l'écart entre les crêtes est compris entre 0, 5 et 2, 5 mm ;
3. Stries et sillons (défauts périodiques ou pseudo-périodiques, échelle microscopique)  : l'écart entre les crêtes est inférieur ou égal à 0, 5 mm ;
4. Défauts situés (échelle microscopique)  : marque d'outil, arrachement, fente, piqûre, … ;
5. Structure cristalline (échelle mésoscopique)  : voir Modèle TLK ;
6. Réseau cristallin (échelle nanoscopique)  : voir Dislocation et Défaut ponctuel.

La rugosité concerne les défauts d'ordre 3 et 4 : défaut d'une largeur inférieure à 0, 5 mm (500 µm), périodiques (stries, sillons) ou situés.

Rugosité

La rugosité concerne les défauts micro géométriques de la surface réelle. La cotation des états de surface fait principalement référence à l'usinage par enlèvement de matière. Les défauts sont des stries et des sillons creusés par les arêtes coupantes des outils (outils de tournage, fraises, meules, etc... ). On peut distinguer 2 niveaux de défauts d'état de surface :

• Niveau 1 : stries périodiques
• Niveau 2 : défauts apériodiques : arrachement de matière

Technologie de mesure

La mesure des états de surface peut être réalisée avec un microscope d'état de surface. Cette technologie de mesure présente l'avantage de permettre l'obtention d'un modèle numérique de la surface réelle sans contact. La mesure est réalisée sur un échantillon de surface. Ainsi, la mesure prend en compte la forme et la direction des stries.

Caractéristiques de la surface

Caractéristiques du profil

Pour l'analyse de la surface, il est indispensable de la subdiviser en un certain nombre de profils de coupe parallèles selon une direction normale aux stries d'usinage. L'ensemble des profils ont la même longueur L.

Strie d'usinage

Chaque strie du profil numérotée i se compose d'une saillie et des deux demi-creux adjacents. Elle est caractérisée par sa longueur AR, sa profondeur de creux amont R_i et aval R_i+1.

Ligne moyenne

La ligne moyenne est calculée à partir du relevé du profil de coupe. C'est la ligne des moindres carrés.

Ligne des saillies

C'est la ligne parallèle à la ligne moyenne passant par la saillie la plus saillante.

Ligne des creux

C'est la ligne parallèle à la ligne moyenne passant par le creux le plus profond.

Ligne de coupe c

C'est la ligne parallèle à la ligne moyenne à une distance c de la ligne des saillies.

Hauteur du profil P_t

C'est la distance entre la ligne des saillies et la ligne des creux.

Ecart moyen arithmétique R_a

C'est la moyenne intégrale des écarts en valeur absolue :

Profondeur moyenne R

C'est la moyenne des profondeurs.

Profondeur maximale des stries R_max

C'est la profondeur maximale.

Pas moyen AR

C'est la valeur moyenne de la longueur des stries.

Taux de longueur portante T_p

C'est la longueur portante totale rapportée à la longueur du profil exprimée en %. La longueur portante d'une strie est la longueur de son intersection avec la ligne de coupe c.

Cotation fonctionnelle des états de surface

Le critère physique R est microgéométrique, et c'est l'amplitude moyenne de la rugosité (rugosité).

Le critère statistique R_a est statistique, et c'est l'écart moyen arithmétique comparé à la ligne moyenne.

R = 5 R_a environ

Domaine d'applications

Les domaines où la rugosité joue un rôle sont particulièrement variés :

• en optique, l'état de surface entraîne (essentiellement) de la diffusion, ce qui entraîne une perte de lumière.
• en mécanique, elle crée du frottement, de l'usure, une force de traînée, etc. Elle peut quelquefois être bénéfique pour capturer les huiles
• en soudure, elle permet d'éviter que certaines surfaces se soudent.
• en adhésion, la rugosité s'oppose à un contact intime entre les deux objets, difficulté contournée par la déformabilité des matériaux collants.
• en pharmaceutique : plus une rugosité est élevée plus il y a risque que des impuretés restent piégées et soient relarguées sans contrôle
• ...

Appareils de mesure

Il y a plusieurs méthodes pour évaluer un état de surface :

• par comparaison (échantillons viso-tactile) ;
• par mesure (appareils électroniques à capteurs ou appareils optiques)  : Rugosimètre

Rugosité

C'est la totalité des irrégularités d'une surface à caractère micrographique et macrographique. Les surfaces usinées ne sont pas idéales, elles présentent des irrégularités dues aux procédés d'obtentions, aux outils, à la matière, etc.

Le rôle fonctionnel d'une surface dépend d'un certain nombre de facteurs, surtout de l'état de surface (étanchéité, glissement, etc. ).

Plus l'indice de rugosité est faible, plus il est complexe à obtenir, ce qui augmente obligatoirement le coût de fabrication.

Surface géométrique
Surface idéale ; Sur le dessin, elle est définie géométriquement par le bureau d'études, avec cotes nominales.

Surface spécifiée
Surface résultant de la surface géométrique, transformée par le bureau des études qui prescrit les limites de réalisation de cette surface avec symboles et de valeurs numériques en complément des cotes nominales du dessin.

Surface mesurée
Surface déterminée avec instruments de mesure à partir de la surface réelle. La surface mesurée, résultant de l'exploration de la surface réelle devra être l'image la plus rapprochée de celle-ci.

Surface réelle
Surface obtenue au cours de la fabrication.

L : Longueur de base du profil moyen

Rp : Profondeur moyenne de rugosité. Moyenne arithmétique des valeurs de l'ordonnée y de l'ensemble des points du profil sur la longueur de base L.

Ra : Écart moyen arithmétique. Moyenne arithmétique des valeurs absolues de l'ordonnée y' (entre chaque point de la courbe et l'axe Ox').

Valeurs de rugosité

États de surface et fonction

Valeur maximum de R en µm :

• avec déplacements relatifs :
  • frottement de glissement
    • très complexe
      • Acier : valeur maximum de R = 0, 4 et W ≤ 0, 3 R
      • …
    • …
  • frottement de roulement
  • résistance au matage
  • frottement fluide
  • étanchéité dynamique

• assemblages fixes
  • étanchéité statique
  • assemblage fixe sans contrainte
  • assemblage fixe avec contrainte
  • adhérence (collage)

• sans contrainte extérieure :
  • revêtement peinture
  • dépôt électrolytique
  • mesure

• avec contraintes extérieures :
  • résistance aux efforts alternés
  • outils coupants face de coupe

Procédés de fabrication et états de surface

Rugosité R_a en micromètres ou rugosité R en micromètres

Rugosité de surfaces brutes :

• Estampage : R_a / R 12, 5 / 40 - 3, 2 / 10 - (1, 6 / 4)
• Forgeage : R_a / R 3, 2 / 10
• Laminage à froid (sur cuivre)  : R_a 0, 6 à 0, 08µm/R_max =1, 0 à 1, 5µm

Rugosité de surfaces usinées :

• Alésage :
  • outil acier rapide R_a / R (6, 3 / 16) - 3, 2 / 10 - 1, 6 / 4 - (0, 8 / 2)
  • outil carbure ou diamant R_a / R (3, 2 / 10') '- 1, 6 / 4 - 0, 8 / 2 - (0, 4 / 1)
  • à l'alésoir R_a / R (6, 3 / 16) - 3, 2 / 10 - 0, 8 / 2 - (0, 4 / 1)
• …
• Tournage :
  • outil acier rapide R_a / R (12, 5 / 40) - 6, 3 / 16 - 1, 6 / 4 - (0, 8 / 2)
  • outil carbure ou diamant R_a / R (3, 2 / 10) - 3, 2 / 10 - 0, 4 / 1 - (0, 4 / 1)

États de surface selon le procédé de fabrication - Surfaces brutes

Procédé de fabrication			Écart moyen arithmétique Ra en µm
Procédé		Symbole	50	25	12, 5	6, 3	3, 2	1, 6	0, 8	0, 4	0, 2	0, 1	0, 05	0, 025
Estampage		es			x	x	x	-
Forgeage		fo					x
Grenaillage		gn	x	x	x	x	x	x	-
Laminage	filage - extrusion à chaud	lac		-	x	x	-
	tréfilage - étirage à froid	laf				-	x	x	x	-
Matriçage	à chaud	ma
	à froid
Moulage	au sable	mo
	cire perdue - procédé Schaw
	en coquille par gravité
	en coquille sous pression
Moulage plastique		mo
Sablage		sa
Procédé		Symbole	160	80	40	16	10	4	2	1	0, 5	0, 25	0, 12	0, 06
Procédé de fabrication			Profondeur moyenne de rugosité R en µm

États de surface selon le procédé de fabrication - Surfaces usinées

Procédé de fabrication			Écart moyen arithmétique Ra en µm
Procédé		Symbole	50	25	12, 5	6, 3	3, 2	1, 6	0, 8	0, 4	0, 2	0, 1	0, 05	0, 025
Alésage	outil acier rapide	al
	outil carbure de diamant
	alésoir
Brochage		br
Brunissage		—
…		…
Procédé		Symbole	160	80	40	16	10	4	2	1	0, 5	0, 25	0, 12	0, 06
Procédé de fabrication			Profondeur moyenne de rugosité R en µm

Valeur usuelle

x

Valeur exceptionnelle

-

Voir aussi

Bibliographie

• C. barlier, R. Bourgeois, Mémotech productique, conception et dessin, Casteilla, Paris, 1992, 559 p. (ISBN 2-7135-1220-4) , p.  61-74 
• J. -L. Fanchon, Guide des sciences et technologies industrielles, Nathan, Afnor, Paris, 2001, 592 p. (ISBN 2-09-178761-2) , p.  113-118 

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